什么是阻性传感器 阻性传感器现状研究及发展趋势

阻性传感器现状研究及发展趋势

邵 刚1，2，余立宁3，蔡 山4，闫 慧3

(1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安710068；

2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安710068；

3.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安710068；4.成都凯天电子股份有限公司，四川 成都610091)

摘 要： 传感器技术是现代科技的前沿技术，与通信技术和计算机技术处于同等重要的位置，并称为信息技术的三大支柱。传感器作为获取信息的关键器件被应用于各种物理量的测量，其中阻性传感器应用最为广泛，但由于其使用的半导体材料本征属性，存在着一致性、温度漂移及非线性等问题，使用时需要对其进行非线性校准和温度补偿。目前采用的硬件补偿方法和软件补偿方法存在许多不足，随着传感器技术的不断发展，现代传感器信号调理技术也应运而生，弥补了传统补偿方法的不足，大大提高了补偿的精度和通用性，并减小了体积和功耗。传感器调理技术发展趋势必将向智能化、微型化、微功耗和多功能化方向发展。

中图分类号： V243.1

文献标识码： A

DOI： 10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.001

中文引用格式： 邵刚，余立宁，蔡山，等. 阻性传感器现状研究及发展趋势[J].电子技术应用，2016，42(5)：4-6，13.

英文引用格式： Shao Gang，Yu Lining，Cai Shan，et al. Research status and progress of resistance sensors[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：4-6，13.

0 引言

传感器技术是现代科技的前沿技术[1]，传感元件作为获取信息的器件位于传感器系统的关键器件之首，其性能对传感器系统有着重要影响。传统阻性传感器以机械结构型器件为主，主要缺点是质量大、体积大和不能提供电子输出。随着半导体技术的不断发展，传感器呈现出向半导体方向发展的趋势。

现阶段对阻性传感器的研究十分活跃，与之相适应的各种调节电路也日趋成熟。阻性传感器种类繁多，用途广泛，如表1所示。表1中的阻性传感器以测量精度高、频率响应范围宽、稳定性好、易于小型化等显著特点得到了迅猛的发展，被广泛地应用于航空、航天、航海、动力机械、石油化工、生物医学工程、气象、地震和地质测量等领域。

1 阻性传感器系统典型架构

阻性传感器对温度变化敏感，易受环境温度影响，导致输出信号发生零点漂移和灵敏度漂移。随着国民经济的高速发展，诸如航空航天、水利水电、汽车制造、武器装备等领域对阻性传感器在大幅温度变化下的测量精度和稳定性提出了越来越高的期望和要求，因此阻性传感器温度补偿的研究具有十分重要的应用价值和理论意义[2]。为提高阻性传感器系统精度，应用时需配备传感器信号调理电路，如图1所示。下面以硅压传感器为例介绍阻性传感器调理系统。

与其他同类传感器相比，阻性压力传感器有许多优点。因为阻性压力传感器没有机械传动结构，不但完全消除了摩擦误差，而且消除了普通传感器的金属膜片因为蠕变、迟滞而产生的误差，大大提高了传感器的精度。硅压力传感器无活动部件，抗冲击性、抗震性、耐腐蚀性以及抗干扰能力强，并且由于其采用集成电路加工方式，敏感元件硅膜片能够做得很小。这点在航空领域中的压力测量显得尤为重要。

在对阻性压力传感器的研究中，对于输出信号的温度漂移补偿是一个重要的研究方向。由于此种传感器在使用过程中需要和被测量物体接触或处于测量环境当中，传感器会受到测量环境温度变化的影响，导致输出信号产生灵敏度漂移和零点漂移。阻性压力传感器的温度漂移是由于半导体的本征物理属性对温度敏感所致。半导体扩散电阻值随着温度变化不一致而导致零点漂移。扩散电阻的温度系数由薄层电阻决定，表面杂质浓度越高，薄层电阻越小，温度系数也更小。与之相反，薄层电阻增加，温度系数也增大。但是由于制造工艺等原因，难以使四个电桥电阻的温度系数完全一致，因此，电桥传感器将不可避免地会产生零点漂移[3]。

以半导体材料为敏感元件的阻性压力传感器，由于温度特性不一致，温度漂移现象明显，以及特殊的加工工艺，使其输出非线性误差也具有随机性。温度漂移特性和非线性误差，使得阻性式压力传感器的使用受到了限制[4]。因此，在实际系统应用中对阻性压力传感器进行温度补偿有重要的意义。在系统应用时均需要信号调整补偿，传统的信号调理补偿系统采用分立器件搭建，如图1所示。其包含多种复杂器件，占用板级面积大、功耗大、补偿精度低以及通用性差，严重影响了系统信息的采集和获取，成为制约整个系统精度的瓶颈。调理电路的开发以及补偿算法的创新成为新的研究热点。

2 阻性传感器的补偿方法

为了提高阻性传感器的输出精度，一方面可以在制作工艺上进一步提升，使阻性传感器阻值及温度系数的变化保持一致，减小温度漂移；另一方面，后续电路对零点误差、满量程误差和零点漂移及温度漂移等参数进行校正，输出信号也可以进行补偿，以提高其测量精确度[2]。

综合目前国内外对阻性传感器温度补偿的研究现状，补偿方法一般可分为硬件补偿和软件补偿两类。

2.1 硬件补偿方法

硬件补偿的实现方式有很多种，其基本原理是靠传感器的桥式电路上加入二极管、三极管和电阻，利用以上元件的温度系数与传感器自身温度系数方向相反来实现补偿[5-6]。基于硬件补偿方法对传感器的零点温度漂移和灵敏度温度漂移补偿，一般是分开进行的。

对于阻性传感器零点漂移的补偿，一般采用串并联电阻的方法，用来平衡因四个电桥电阻初始值不匹配而造成的零点漂移以及零点温度漂移。因为此种补偿方法是在电桥上完成的，所以也被称为“桥内补偿法”[7]。

图2所示的原理图中，其补偿原理是通过串并联在电桥上的电阻来调节传感器的零点漂移。其中，串联电阻RS主要起到调零作用，并联电阻RP主要起到补偿作用，且电阻RS、RP通常选择温度系数极小的材料制作，所以认为其温度系数为零。这种方法的关键在于要准确计算出串并联电阻RS、RP的大小。对于补偿电阻的求解，通常采用温度系数推导方法和恒流源供电法计算[8]。

对于用温度系数推导方法，计算得出的补偿电阻值误差很大，补偿效果不佳，甚至可能使原来就已较好的传感器效果变差。用恒流源计算出来的RS、RP的阻值需要随着温度不断的变化而重新设置。并且这种方法只利用补偿温度区间内的两个边界温度点上的一些传感器参数来计算RS、RP的阻值，它只考虑传感器的零点温度漂移随着温度单调变化这一因素，并未考虑其他因素对压阻式传感器的零点漂移曲线的影响，而这种影响很可能使得曲线非单调变化。但在实际应用中，这类“桥内补偿方法”计算繁琐、调试困难、通用性差，只适宜对传感器进行初步补偿。

2.2 软件补偿方法

软件补偿方法主要是针对阻性传感器的输出信号，一般是对压力传感器的输出数据进行“软件”处理。软件补偿方法主要有二维插值法、二维回归分析法和人工神经网络学习法等[9]。美国Kulite公司的补偿方法是在压力传感器内一起封装一个温度传感器，这样传感器在输出压力信号的同时，还输出一路温度信号，利用这两个信号经过数据处理来实现温度漂移误差的补偿[10]。这就是一种典型的采用二维回归分析法进行的补偿。

同硬件补偿方法相比，软件补偿方法比较灵活，不需要进行繁琐的电路设计。但是软件补偿需要求解大规模的矩阵方程，方程的维数越多，计算的数据量越大。神经学习法具有较强的学习、适应和调整能力，能够很好地逼近被测对象的实际值，但是也存在网络不稳定，训练周期长等缺点[2]。

3 发展趋势

随着传感器技术和计算机技术的飞速发展，世界进入了数字时代，可编程数字器件的出现使得采用数字方式调理模拟系统成为可能[11]。传感器的调理技术因此也有了新的发展方向。

传感器信号调理技术发展的两个方向：

(1)数字传感信号处理器（DSSP）[12]。DSSP技术包括利用ADC对传感器信号进行数字化转换，利用存储器带有的微控制器在数字域内进行校准和补偿。这种方法的优势在于ADC数字化的处理，这种处理是在数字域由处理器完成，其输出的信号都是数字信号，具有抗干扰能力强等特点。但是这种方法在把模拟信号转换为数字信号的过程当中，会引入量化误差，其取决于ADC的有效位数，并且这种方法还需要一定的软件开销。

(2)模拟传感信号处理器（ASSP）[12]。MAX1452温度信号调理芯片即属于这种模拟信号处理器，它是通过调整DAC来调整传感器的激励电流，利用可编程的放大器来调整输入信号的偏移和增益。ASSP技术完全实现了在模拟域对传感器进行校准和补偿。它利用DAC、EEPROM和可用数字量进行调节的模拟器件，这种混合技术具有全模拟和全数字两种方法的优点，它在模拟域内处理信号，用数字系统代替传统的电位器功能。为了改善传感器输出信号的非线性，在ASSP系统中，原始传感器输出信号作为DAC的基准输入，DAC的输出作为反馈信号的调节增益和偏置。这种技术省去了DSSP中采用复杂的多项式曲线拟合。利用DAC将数字量与模拟电压（DAC的基准输入）相乘，这是ASSP电子调节系统的关键依据。

为了适应ASSP的补偿，一个传感器系统中往往需要使用多个DAC，而DAC的价格会随着其分辨率的增加而增加。这个问题随着新型(Δ-∑)技术的DAC和ADC的发展而得到了解决，可实现低价格的数字调整。这种技术可以在非常小的硅片面积上实现16位的A/D转换，使得含有多路DAC和ADC的复杂片上系统成为可能[13]。

现代信号调理技术是一种软件与硬件相结合的调理技术，其利用合理的补偿算法与ASSP专用集成信号调理芯片相结合，是一种很有效的针对阻性传感器温度补偿的新方法。随着传感器技术的不断发展，传感器调理技术必将向智能化、微型化、微功耗和多功能化方向发展。

4 结束语

传感器作为获取信息的关键器件被应用于各种物理量的测量，其中阻性传感器应用最为广泛，应用领域包括航空、航天、航海、动力机械、石油化工、生物医学工程、气象、地震和地质测量等。传感器技术的发展面临更大的机遇和挑战，服务于信息科学的传感器和智能传感器日益受到科技工作者、政府和产业界的重视，今后必将发挥重要作用。

参考文献

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[12] 贾英江，贾向英.一种新型传感器接口IC[J].自动化仪表，2002(6)：23-25.

[13] 王丕涛.高精度智能信号调理系统的研制[D].济南：山东大学，2006.

一种阻性传感器调理及处理电路的研究

惠晓强1，2，李 昶3，梁应剑4，杨冠兰3

(1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安710068；

2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安710068；3.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安710068；

4.成都凯天电子股份有限公司，四川 成都610091)

摘 要： 阻性传感器在军用及工业控制领域应用十分广泛。随着微电子技术的发展，阻性传感器调理电路从独立元器件搭建向着集成化和智能化方向快速发展。首先对国内阻性传感器常用处理方法进行对比分析，再对当前国外阻性传感器测量电路进行概述，最后介绍一种新型的国产阻性传感器调理芯片HKA2910，并总结出国产阻性传感器处理器芯片的研究对军用及工业领域的重大意义。

中图分类号： V243.1

文献标识码： A

DOI： 10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.002

中文引用格式： 惠晓强，李昶，梁应剑，等. 一种阻性传感器调理及处理电路的研究[J].电子技术应用，2016，42(5)：7-9，13.

英文引用格式： Hui Xiaoqiang，Li Chang，Liang Yingjian，et al. Research of a resistive sensor conditioning and processing circuit[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：7-9，13.

0 引言

在机弹载设备和工业控制领域中，有大量的测量压力、温度、流量的阻性传感器，它们将压力、温度、流量等物理量转换为与之对应的电阻，测量设备或计算机通过测量电阻，即可计算推导出相对应的物理量。本文从阻性传感器的功能原理出发对常用阻性传感器处理电路进行对比分析，最后介绍一种新型的国产阻性传感器芯片HKA2910，归纳总结出国产阻性传感器的使用优势及国防意义。

1 阻性传感器处理电路实现的功能

一般阻性传感器处理电路主要实现以下功能：

(1)信号放大功能。传感器在测量数据时，根据电阻阻值变化获得的测量信号及其微弱，经过信号放大后才利于后端计算机采集。

(2)校准及补偿功能。传感器在采集数据时，会受外部环境变化的影响，所获得的测量信号会发生偏移，不能准确地表观测量数据的变化特性，通过校准和补偿功能可将外部环境带来的影响弱化，确保传感器测量数据的准确性。

(3)A/D转换采集功能。采集计算机通过A/D对传感器测得的数据进行采集，A/D的转换速率和位数范围决定传感器测得的数据的精确性及实时性。

2 国内阻性传感器调理接口电路的原理及实现

阻性传感器的自动测量，从理论上说有恒流源测量法和惠斯通电桥法两种。下面分别对两种处理方法进行描述。

2.1 恒流源测量法

恒流源测量法是通过在传感器中增加电阻的方式来实现。具体原理为：传感器中增加测量电阻，并在测量电阻两端加上恒定电流的激励，电阻两端会产生电压，该电压随着被测电阻的变化而变化。测量电压通过欧姆定律：R=U/I，可以计算出电阻R的值，然后通过被测物理量与电阻R的对应关系进一步计算出被测物理量。其测试原理框图见图1。

2.1.1 恒流源产生电路

为了减小电流流过被测电阻产生的热量而导致被测电阻阻值的变化，设计时需要尽量减小流过电阻的恒定电流值，一般该电流值选取0.5 mA左右。恒流源的产生电路由精密参考源、运放和高精度电阻组成，其原理图见图2。

其中，电阻R的阻值可调节输出恒流源的电流大小，输出电流I0大小计算公式为：

式中：U为参考源的输出电压，R为调节电阻。

R的精度直接影响I0，进而影响电阻R的测量，因此，一般选择高精度的金属膜电阻。

2.1.2 电压测量电路功能原理

计算机内的电压测量电路是整个测量系统的关键，在调理电路前要进行共模和差模滤波，减小系统中的高频干扰。为了增大测量电路的输入阻抗，减小测量电路对被测电路中电流的分流，输入放大器选用仪表运放进行电压放大，之后经过多路器选择，A/D转换器和数据隔离驱动连接计算机内部数据总线[4]。测量电路功能组成如图3所示。

恒流源法测量电阻的优点是恒流源激励电流产生简单，被测电阻值与采集的电压是线性关系；缺点是为了去除掉激励电流线缆上的阻抗，一般要用四线测量法，导致所用线缆较多，增加了系统的重量；同时激励电流又不能太小，否则会导致传感器自发热，增大误差。

2.2 惠斯通电桥法

惠斯通电桥法是一种经典的电阻调理方法[1]，其功能原理如图4所示。将被测电阻与其他辅助的三个已知阻值的固定电阻组成图4的电桥，给电桥的上下端加上恒定的电压源，测量中间两点的电压，可以计算推断被测电阻的阻值。

被测电阻与输出电压之间的关系为：

由式(3)可知，在电压源U和辅助电阻R固定的情况下，电桥中点电压Uo与传感器的电阻的变化量成正比，计算机测量Uo，通过计算可得ΔR，从而得到所测物理量的值。

惠斯通电桥可以很容易地对被测传感器进行测量。优点是电压源、桥臂上的电阻比较容易获取，精度也有保证，而且电压源、桥臂上的电阻可以和传感器分离放置在计算机内；缺点是整个电路的温漂比较大，影响系统精度。由于传感器一般放置在现场，环境往往比较恶劣，其温度可以从-50 ℃～70 ℃，被测传感器的电阻阻值不仅随被测物理量的变化而变，也会受到现场温度的影响，导致系统误差变大。因此，如何减小传感器的温漂成为提高系统精度的关键[2]。

解决温漂问题的方法是将整个电桥搭建在传感器内，然后在传感器内设置温度传感器，对电桥在每个温度点进行电压漂移标定，然后将标定值记录在存储器中，传感器在使用中，通过叠加校正电压，在电桥中点的输出电压中将漂移电压去掉，从而大大提高系统精度[4]。如果通过分立器件搭建电路，整个系统会比较复杂，成本比较高。

3 国外对阻性传感器调理接口电路的处理方式

目前，最新的阻性传感器调理接口电路处理方式是单片式集成电路[3]，MAXIM公司的MAX1452已经广泛应用于机载设备和工业控制领域。MAX1452具有放大、校准和温度补偿功能，其综合工作特性可以逼近传感器所固有的可重复能力。其全模拟信号通道在输出信号中不会引入量化噪声，并利用集成的16位数模转换器(DAC)实现数字化校正。利用16位DAC对信号的偏移量和跨度校准，赋予了传感器产品真正的可互换性[5]。

4 基于HKA2901芯片的阻性传感器调理接口电路

近年来，随着集成电路设计技术的发展，国内的元器件研制单位也竞相研制此类复杂的传感器调理芯片，HKA2910芯片已经国产化，其功能类似于MAX1452。下面以HKA2910为例介绍该类芯片。

4.1 HKA2910芯片介绍

HKA2910是一种高度集成的模拟传感器信号处理器，芯片内集成有一个可编程传感器激励、一个16 级可编程增益放大器(PGA)、一个内部Flash，4个16位DAC、一个通用的运算放大器以及一个内嵌的温度传感器。除偏移量和跨度补偿外，芯片还利用偏移量的温度系数(TC)和跨度温度系数(FSOTC)提供独特的温度补偿，在提供高度灵活性的同时降低了检测成本。HKA2910功能组成原理图见图5。

HKA2910是一种高度集成的模拟传感器信号处理器，其具有以下功能特性：

(1)具有放大、校准和温度补偿功能；

(2)适应于输出灵敏度从1 mV/V～40 mV/V的传感器；

(3)16 bit的偏移量和跨度校准精度；

(4)内嵌查找表，支持多点校准的温度修正；

(5)支持电压桥和电流桥激励；

(6)150 μs快速阶跃响应；

(7)内嵌通用运算放大器；

(8)安全锁防止数据破坏。

4.2 HKA2910应用及优势

HKA2910主要应用于压力传感器、变送器、应变仪、压力校准与控制器、阻性元件传感器、加湿计及湿度传感器等领域的信号调理。

HKA2910与阻性传感器结合，通过电桥形成一个能够对温漂进行补偿的高精度传感器，其精度可以达到0.2%，整个传感器只需要电源线、地线和信号输出三根线，内置HKA2910的传感器输出原理图见图6。新的传感器在出厂前通过专用软件进行标定校准，校准值储存在内置的Flash中，使用过程中。芯片自动工作，其输出电压值已经去除了温漂，直接用图3所示的采集电路进行采集即可。

在控制及监控领域使用HKA2910具有以下优势：

(1)自主国产化。自主的知识产权可保证产品生产中无器件断档禁运造成的生产终止风险。

(2)使用简单化。将之前由分立器件搭建的复杂电路高度集成，减小了板面积且大大降低了设计者的设计难度，也可促进产品小型化、集成化的发展。

(3)应用灵活化。HKA2910可根据产品不同的应用环境改变芯片内部的校准及补偿参数，推动了产品的通用化发展。

(4)易于集成化。封装小型化，便于与传感器集成后形成智能传感器，推动传感器的智能应用。

5 结束语

阻性传感器作为机弹载和工业控制领域最常用的一种传感器，其采集精度直接关系到系统的控制精度。因此，研究如何提高该类传感器的精度、降低误差和温漂是改善阻性传感器性能的重要方面。而国产HKA2910芯片集成此类的功能，能够大大降低传感器的温漂，改善传感器的性能。该芯片具有自主知识产权，对防务及工业控制领域起到极大的支撑作用。

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